高校排課管理系統的功能需求分析

楊波

[摘 要]排課是高校教務管理的核心內容，是保障教學工作正常運轉的前提。排課問題的實質就是教師、教室、上課時間、課程以及上課地點這五大要素之間的最佳排列組合。排課系統除了規范了排課管理的工作流程外，還具有為教學管理提供輔助決策的功能，促進了教務管理信息化的發展，適應當今現代化教育的要求。

[關鍵詞]需求分析；排課問題；排課系統

排課是高校教務管理中的核心內容，是維持教學活動有序進行的必要環節。目前，隨著教學信息化以及校園網的普及，大部分高校已采用計算機軟件排課系統替代人工排課，但由于排課問題的復雜性和軟件系統的不完善，在處理具體排課問題時，計算機并不能解決所有問題，仍存在部分情況需要人工手動解決。因此，創建全智能化的排課系統是一項刻不容緩的工程項目。

本文以本校的排課問題為例，就學期課程表計算機排課系統的功能需求進行了深入系統的分析。

一、排課系統的綜合需求

（一）排課問題的描述。排課問題是典型的組合優化和不確定性調度問題，它是選擇適當的時間和地點，將聽課對象及授課教師按人才培養方案所規定的學期開課進行人性化的合理編排。20世紀70年代，S. Eveo等曾論證排課問題屬NP完全類問題。進入20世紀90年代，國外對排課問題的研究仍然非常活躍。Aiabinda Tripathy的工作是針對以“人”為單位進行課表編排的，他運用拉格朗日松弛法和分支定界技術求解，這種方法的缺點是為了減少變量的個數，人為造成科目間的沖突。

（二）排課問題的常用解決方法。在排課問題的研究中，圖論是起初被廣泛應用的一個主要方法。曾經有科學家研究出一種啟發式的圖著色方法，但由于圖著色技術本身就是一個NP完全問題，所以對解決該問題幫助不大。后來有科學家為解決排課問題，將其轉化為整數規劃問題來處理，但實際上此方法在處理復雜問題時是不可行的。在各地科學家的努力探索過程中，出現了用啟發式函數來解決排課問題的相關文章，但由于排課問題的復雜性以及出現相關約束條件的多樣性，使得這條途徑變得不可行。

（三）排課目標及約束條件。排課目標：全校周課程表在任意一時間段“教師―班級”、“時間―教室”不沖突。要實現排課目標，排課必須考慮以下三方面的約束條件。

1. 硬約束條件（必須滿足的條件）：（1）同一時間，一個教室不能同時上一門以上的課程；（2）同一時間，一個教師不能同時上一門以上的課程；（3）同一班級，不能同時上一門以上的課程；（4） 一個教室上課的人數，不能超過教室的容量；（5） 對于需要實驗設備的課程，教室需要有相應的配套設備。

2.軟約束條件（可滿足也可不完全滿足的條件）：（1） 安排教師在其喜歡的特定時間上課；（2）安排教師在其喜歡的特定教室上課；（3）在相應的時間或教室給學生或教師安排特定的課程；（4）盡可能將教師所上的課程安排集中，減少教師到教學場地的次數；（5）某班級一周內的課程分布盡量均勻；（6）盡可能使每門課程的上課時間分布合理化。

3. 其他條件（必須考慮的條件）：（1）遵守人才培養方案規定，開齊開足學期課程課時。（2）盡量使學生數與教室座位數相匹配；盡量提高多媒體教室座位的使用率；盡量考慮教師個人的合理要求。（3）課程表編排科學合理。（4）排課過程中，一般一位教師的課不應該安排得太過集中，需留一定時間給教師休息以及學生消化、教師批改作業。特別是年紀較大的教師，最好一天的授課量不要超過四節。（5）對同班有多門課的教師，盡量每天只安排一種教材的課程；對平行班有相同課的教師，盡量照顧相互聽課之便；對在校本部及分校區均有教學任務的教師，上課時間更要盡量錯開。（6）排課結束后要公開征求意見盡量作進一步的完善，以減少課程表最終確定后的人為變動，保證課程表的嚴肅性。

（四）排課系統數據分析。排課是在綜合考慮課程、教室、教師、學生、時間等諸多因素的基礎上，統籌兼顧地解決在排課資源中出現相互沖突的問題，實現多目標最優化。排課算法中包含大量的運行參數、結果，這些數據都需要妥善的存儲在數據庫以及內存中，以利于排課系統的正常運轉。

在排課系統中，對數據的輸入方式要求比較高。課程、教室、教師、學生按照特定的邏輯關系定義輸出。課程、學生、教室、教師的邏輯關系是由課程引發的，由學生和教室、教師三個屬性規定的關系。要設置某系某班的排課結點，然后為每個排課結點尋找課程表中的合適位置，循環執行， 直至所有排課結點都找到合適的位置。在這個關系中，課程居于主要位置，應將課程作為數據庫的關鍵字。

二、排課系統的功能需求

（一）系統的數據流程。以韓山師范學院為例，排課的相關流程為：1.每學期第八周，教務員便開始對本系各年級、各專業做下一學期的開課計劃，在與人才培養方案核對無誤后，報請教學主任審批并于第十周前送教務處復核匯總。2.教務處下達開課計劃。3.各系進一步核實計劃并根據教師的特長及要求落實好開課計劃，完成后由教務處負責初始化系統。4.系統根據各系上報至教務處的開課計劃進行自動排課，這一過程主要完成上課時間、上課地點的安排。5.自動排課結束后，各系需在規定時間內征求意見并根據需要對相關項目進行微調。6.系統自動生成教師及學生課程表，各系核對無誤后，發至教師以及各班，確保新學期的教學秩序正常。

（二）系統的功能與分級管理 。

1.排課所涉及信息的輸入、輸出。比如教學計劃安排的輸入，教室所能容納的人數、學生、班級、教師課程表的輸出以及一些刪除、查詢功能等。2.自動排課。當輸入基本相關數據后，系統能自動求出幾套較為合理的課程表并能提供手工補充編排。3.調、停課功能。比如開學伊始，出現一些意想不到的問題或當對某位教師的課程進行了時間調整或地點調整時，系統能夠顯示出來。或者因為一些環境因素導致某一門課程停開，系統也能夠標識出來。4.排課系統是教務系統里面的子系統。

（三）排課中的其他需求。

1.功能需求分析。（1）實現排課問題所涉及的所有基本信息的輸入、輸出，比如能輸出教室所能包含的人數，輸出學生、班級、教師的課表，教學計劃安排的輸入以及一些刪除、查詢功能等。（2）能夠實現自動排課，當輸入基本相關數據后，系統能自動求出幾套較為合理的課程安排表，并且能夠提供手工的補充編排。（3）系統能夠提供調課、停課的功能。比如說，當開學后執行上學期末排好的課表時，不可避免地會出現一些問題，當對某幾位教師的課程進行了時間調整或地點調整時，系統能夠顯示出來。或者因為一些環境因素導致某一門課程停開，系統也能夠標識出來。（4）排課系統作為教務系統里面的子系統，可以實現系統與其他系統間的數據轉換，包括數據的導入、導出功能，各類課表數據的輸出以及相關數據的備份等。2.易操作需求。（1）可以由多個途徑查詢導入課表。比如：由教師、班級、學院分別進行查詢。（2）多種數據類型可以進行導入、導出操作。（3）當系統進入手工操作排課模式時，兩個課表單元間的信息可以直接相互交換。3.系統安全性需求。（1）系統的權限管理，只有具備管理員身份且輸入正確的用戶名、密碼才能進入系統，并根據管理員級別的不同限定系統的開放程度。（2）系統里面的數據若有在原始數據上有更改或刪除操作時自動進行備份。（3）系統需具備一定的容錯能力，能夠對一些基本內容進行自動沖突檢測。

三、展望

排課在高校教務管理工作中是一個難點。原因在于排課需考慮課程、學生、教室、教師以及授課時間這五大要素之間的邏輯關系。雖然至今為止，市面上仍然沒有一個能夠完美解決排課問題的系統，但只要限定范圍即針對一個特定的排課環境， 我們還是可以找到一個較為理想的排課方案的。

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